第3-2章測(cè)量電路(電阻應(yīng)變測(cè)量技術(shù))

1、 Sichuan UniversitySichuan University1 13-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路 第一次轉(zhuǎn)換：應(yīng)變片將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化量。 第二次轉(zhuǎn)換：應(yīng)變基本測(cè)量電路則是將電阻相對(duì)變化量再轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，以便顯示、記錄和處理。 電阻應(yīng)變儀 應(yīng)變測(cè)量電路 ：通常轉(zhuǎn)換后的信號(hào)很微弱，必須經(jīng)調(diào)制、放大、解調(diào)、濾波等變換環(huán)節(jié)才能獲得所需的信號(hào) 。 惠斯登電橋電路 ：按電源供電方式分，直流電橋和交流電橋。電橋電路可有效地測(cè)量10-310-6數(shù)量級(jí)的微小電阻變化率，且精度很高，穩(wěn)定性好，易于進(jìn)行溫度補(bǔ)償，所以，在電阻應(yīng)變儀和應(yīng)變測(cè)量中應(yīng)用極廣。 Sichuan Unive

2、rsitySichuan University2 2ERRRRRRRRUBD)(432142313-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路定義定義l實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換；并構(gòu)成電阻應(yīng)變儀。實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換；并構(gòu)成電阻應(yīng)變儀。l惠斯登電橋：惠斯登電橋：以直流惠斯登電橋?yàn)槔?，常用交流以直流惠斯登電橋?yàn)槔Ｓ媒涣鳌?241RRRR電橋平衡條件：電橋平衡條件： Sichuan UniversitySichuan University3 33-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路應(yīng)變應(yīng)變片的接入方式：片的接入方式： Sichuan UniversitySichuan University4 43-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路 一、

3、直流電橋 由四個(gè)電阻Rl，R2， R3，R4，組成四個(gè)橋臂；A，C為供橋端，接電壓為E的直流電源，B，D為輸出端，電橋的輸出電壓為 ERRRRRRRRUBD.)(43214231當(dāng)UBD0時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，故電橋的平衡條件為 R1R3-R2R4=0或 3241RRRR Sichuan UniversitySichuan University5 53-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路橋臂四個(gè)電阻RlR2R3R4R，此稱等臂電橋等臂電橋。等臂電橋單臂工作時(shí)的情況 ： 設(shè)Rl為工作應(yīng)變片，當(dāng)試件受力作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其阻值有一增量R，此時(shí)，橋路就不平衡，產(chǎn)生輸出電壓，由于RR ，輸出電壓為：EkERR

4、UBD41.4基本關(guān)系式表明：等臂電橋的輸出電壓與應(yīng)變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)成線性關(guān)系。 Sichuan UniversitySichuan University6 63-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路 非等臂電橋四臂工作時(shí)： 設(shè)電橋四臂均為工作應(yīng)變片，其電阻為Rl，R2，R3，R4，當(dāng)應(yīng)變片未受力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出電壓為零。當(dāng)受力后，電橋四臂都產(chǎn)生電阻變化分別為R1, R2, R3及R4，電橋電壓輸出為ERRRRRRRRRRRRUBD)(432124134231忽略二階微量，R R 0 Sichuan UniversitySichuan University7 73-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量

5、電路 根據(jù)三種橋臂配置情況進(jìn)行分析： 全等臂電橋，全等臂電橋，即，RlR2R3R4R， 其電壓輸出為)(4)(4432144332211kERRRRRRRREUBD 輸出對(duì)稱電橋：輸出對(duì)稱電橋： RlR2，R3R4 ，其電壓輸出與全等臂電橋相同。 電源對(duì)稱電橋：電源對(duì)稱電橋： RlR4，R2R3 ，并令 4312RRRR則其電壓輸出為 )()1 ()()1 (43212443322112kERRRRRRRREUBD Sichuan UniversitySichuan University8 83-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路電橋的加減特性(或和差特性) 相鄰橋臂的應(yīng)變極性一致(即同為拉應(yīng)變或同

6、為壓應(yīng)變)時(shí)，輸出電壓為兩者之差；極性不一致(即一為拉應(yīng)變，另一為壓應(yīng)變)時(shí)，輸出電壓為兩者之和。而相對(duì)橋臂則與上述規(guī)律相反。 該特性對(duì)于交流電橋也完全適用。 利用該特性，可提高電橋的靈敏度，對(duì)穩(wěn)定影響予以補(bǔ)償，從復(fù)雜受力的試件上測(cè)取某外力因素引起的應(yīng)變等，所以，它是在構(gòu)件上布片和接橋時(shí)遵循的基本準(zhǔn)則之一。 Sichuan UniversitySichuan University9 9l 相鄰橋臂：應(yīng)變極性相同，輸出電壓相減，應(yīng)變相鄰橋臂：應(yīng)變極性相同，輸出電壓相減，應(yīng)變極性極性相反，相反，輸出電壓相加；輸出電壓相加；l相對(duì)橋臂：與以上規(guī)律相反相對(duì)橋臂：與以上規(guī)律相反。電橋加減特性非常有用：電

7、橋加減特性非常有用：1 1）提高電橋靈敏度；）提高電橋靈敏度；2 2）溫度補(bǔ)償；）溫度補(bǔ)償；3 3）復(fù)雜受力試件上測(cè)試某外力因素引起的應(yīng)變等。）復(fù)雜受力試件上測(cè)試某外力因素引起的應(yīng)變等。3-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路重要結(jié)論：重要結(jié)論：電橋的加減特性（對(duì)臂相加，臨臂相減）電橋的加減特性（對(duì)臂相加，臨臂相減） Sichuan UniversitySichuan University10103-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路用電橋測(cè)量電阻變化的測(cè)量方法偏位法：是在表的刻度盤上刻出R，或直接刻出應(yīng)變值(根據(jù)R Rk)，由指針偏轉(zhuǎn)直接指示應(yīng)變值，或者送到記錄器直接記錄。 零位測(cè)量法： 電橋原始平衡后，

8、如R1變成R1+R，則電橋失去平衡，電表指針偏轉(zhuǎn)，此時(shí)，人為調(diào)節(jié)可變電阻r，改變D點(diǎn)電位，使之與B點(diǎn)電位相同，電橋重新平衡，電表又重新指零，這時(shí)，可在可變電阻器刻度盤上直接讀出r值，便可測(cè)出R1變化R時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值 kRr2 零位測(cè)量法與電源電壓無(wú)關(guān)，電源電壓變化不影響測(cè)量結(jié)果，故測(cè)量精度較高，但測(cè)量時(shí)電橋需要重新平衡，較麻煩，只用于靜態(tài)測(cè)試 。 Sichuan UniversitySichuan University1111導(dǎo)線溫度變化的影響？導(dǎo)線溫度變化的影響？ 15m長(zhǎng)，截面為長(zhǎng)，截面為0. 5mm2的銅導(dǎo)線，單根的電阻的銅導(dǎo)線，單根的電阻r=0.6歐姆，銅線的電阻溫度系數(shù)歐姆，銅線的

9、電阻溫度系數(shù)=410-3 / ，應(yīng)，應(yīng)變片電阻變片電阻R=120，靈敏系數(shù)，靈敏系數(shù)K=2。當(dāng)導(dǎo)線溫度變化。當(dāng)導(dǎo)線溫度變化 t=10，所造成的虛假應(yīng)變?yōu)槎嗌?？，所造成的虛假?yīng)變?yōu)槎嗌伲?002/1206 . 010104/3KRrtKRRrt惠斯頓電橋 E43rrrtrr Sichuan UniversitySichuan University12123-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路二、交流電橋二、交流電橋 應(yīng)變儀多用正弦交流電壓作供橋電源。 半橋工作：A AB、BC臂接應(yīng)變片R1、R2。 忽略電容C1、C2,供橋端電壓Uac=VmSint當(dāng)?shù)缺垭姌騿伪酃ぷ鲿r(shí) tVRRRRRRRRUmBDsi

10、n)(43214231tVRRUmBDsin41 交流電橋的輸出電壓信號(hào)是對(duì)橋壓的調(diào)幅信號(hào)，稱為調(diào)幅波。A AB BC CD D Sichuan UniversitySichuan University13133-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路當(dāng)試件受靜態(tài)拉伸應(yīng)變+時(shí)，將使Rl變?yōu)镽o十R t，對(duì)應(yīng)的電橋輸出電壓為 tVktVRRUmmtBDsin41sin410電橋電壓輸出的幅度與k、+及Vm成正比，其頻率和相位都和載波電壓一樣。 當(dāng)試件受靜態(tài)壓縮應(yīng)變-時(shí)，將使Rl變?yōu)镽o-R t，對(duì)應(yīng)的電橋輸出電壓為)sin(41sin410tVktVRRUmmtBD相位與載波電壓相差，其余與拉應(yīng)變的情況相

11、仿 。 Sichuan UniversitySichuan University14143-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路當(dāng)試件受如下簡(jiǎn)諧變化的應(yīng)變時(shí)： 輸出電壓tVktVktVRRUmmmmmmBD)cos(81)cos(81sin410 它可視為由振幅相同、頻率分別為(-)、(+)兩個(gè)諧波疊加而成。但實(shí)際應(yīng)變的變化頻率多為非正弦的，其中有不可忽略的高次諧波頻率n，則此時(shí)電橋的輸出頻率寬度為(n)。為使電橋調(diào)制后不失真，載波頻率應(yīng)比應(yīng)變信號(hào)頻率n大十倍。當(dāng)動(dòng)、靜應(yīng)變同時(shí)存在時(shí)，則電橋的輸出相當(dāng)于靜態(tài)應(yīng)變和動(dòng)態(tài)應(yīng)變兩種情況的疊加。交流電橋起到了調(diào)幅作用 。n =msint Sichuan Uni

12、versitySichuan University15153-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路三、電橋的平衡三、電橋的平衡 任意兩個(gè)應(yīng)變片的電阻值不等 ，接觸電阻和導(dǎo)線電阻也有差異 ，交流電橋中，應(yīng)變片引出導(dǎo)線間和應(yīng)變片與構(gòu)件間都存在著分布電容，造成電橋初始不平衡。 電阻預(yù)調(diào)平衡方法： (1)電阻串聯(lián)平衡法(圖36(a) (2)電阻并聯(lián)平衡法(圖36(b) (3)無(wú)觸點(diǎn)平衡法(圖36(c)電容預(yù)調(diào)平衡方法： (1)阻容平衡法(圖36(d) ，(圖36(e) (2)差動(dòng)電容平衡法(圖36(f)數(shù)字式應(yīng)變儀不需電橋平衡電路。 Sichuan UniversitySichuan University16

13、163-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路三、電橋的平衡三、電橋的平衡電阻預(yù)調(diào)平衡方法：電阻預(yù)調(diào)平衡方法： (1)電阻串聯(lián)平衡法電阻串聯(lián)平衡法(圖圖36(a)：在橋臂中串聯(lián)一個(gè)小阻值的電阻在橋臂中串聯(lián)一個(gè)小阻值的電阻r，調(diào)，調(diào)節(jié)此小電阻，改變相鄰兩臂的電阻值，消除電阻初始的不平衡。節(jié)此小電阻，改變相鄰兩臂的電阻值，消除電阻初始的不平衡。 (2)電阻并聯(lián)平衡法電阻并聯(lián)平衡法(圖圖36(b)：在橋臂中并聯(lián)一個(gè)大的電阻的電阻器在橋臂中并聯(lián)一個(gè)大的電阻的電阻器W，調(diào)節(jié)該電位器，改變相鄰兩臂的電阻值，達(dá)到電橋平衡。，調(diào)節(jié)該電位器，改變相鄰兩臂的電阻值，達(dá)到電橋平衡。 (3)無(wú)觸點(diǎn)平衡法無(wú)觸點(diǎn)平衡法(圖圖36(

14、c)：電橋的電橋的R3、R4兩臂由貼在內(nèi)部小懸臂梁兩臂由貼在內(nèi)部小懸臂梁上的兩片應(yīng)變片構(gòu)成，調(diào)節(jié)螺釘使梁變形，改變兩應(yīng)變片的阻值，以消上的兩片應(yīng)變片構(gòu)成，調(diào)節(jié)螺釘使梁變形，改變兩應(yīng)變片的阻值，以消除電阻的初始不平衡。除電阻的初始不平衡。 Sichuan UniversitySichuan University17173-2 3-2 測(cè)量電路測(cè)量電路三、電橋的平衡三、電橋的平衡電容預(yù)調(diào)平衡方法：電容預(yù)調(diào)平衡方法： (1)阻容平衡法阻容平衡法(圖圖36(d) 、(圖圖36(e)：并聯(lián)大電阻器并聯(lián)大電阻器W調(diào)節(jié)電阻平衡；調(diào)節(jié)與一固定電容調(diào)節(jié)電阻平衡；調(diào)節(jié)與一固定電容C相連的電位器相連的電位器W2改變

15、橋臂阻抗相角，達(dá)到電容平衡。該預(yù)調(diào)平衡法，需交替調(diào)節(jié)電阻和電容改變橋臂阻抗相角，達(dá)到電容平衡。該預(yù)調(diào)平衡法，需交替調(diào)節(jié)電阻和電容平衡，才能消除電阻和電容初始的不平衡。圖平衡，才能消除電阻和電容初始的不平衡。圖e是并聯(lián)大阻值電容器是并聯(lián)大阻值電容器W調(diào)節(jié)阻值平衡，橋臂上調(diào)節(jié)阻值平衡，橋臂上并聯(lián)可變電容并聯(lián)可變電容C調(diào)節(jié)電容平衡?？勺冸娙菡{(diào)節(jié)電容平衡?？勺冸娙軨也可并聯(lián)到與之相鄰的另一個(gè)橋臂上。也可并聯(lián)到與之相鄰的另一個(gè)橋臂上。 (2)差動(dòng)電容平衡法差動(dòng)電容平衡法(圖圖36(f)：并聯(lián)大阻值電阻器并聯(lián)大阻值電阻器W調(diào)節(jié)電阻平衡；在電橋的調(diào)節(jié)電阻平衡；在電橋的R3、R4兩臂上兩臂上并聯(lián)有同軸差的電容器并聯(lián)有同軸差的電容器C(分為分為C1、C2)，調(diào)節(jié)電容時(shí)，一個(gè)增大，另一個(gè)將會(huì)等